Abstract
This work proposes a 14b 150MS/s 0.13um CMOS ADC for SDR systems requiring simultaneously high resolution, low power, and small size at high speed. The proposed ADC employs a calibration-free four-step pipeline architecture optimizing the scaling factor for the input trans-conductance of amplifiers and the sampling capacitance in each stage to minimize thermal noise effects and power consumption at the target resolution and sampling rate. A signal- insensitive 3-D fully symmetric layout achieves a 14b level resolution by reducing a capacitor mismatch of three MDACs. The proposed supply- and temperature- insensitive current and voltage references with on-chip RC filters minimizing the effect of switching noise are implemented with off-chip C filters. The prototype ADC in a 0.13um 1P8M CMOS technology demonstrates a measured DNL and INL within 0.81LSB and 2.83LSB, at 14b, respectively. The ADC shows a maximum SNDR of 64dB and 61dB and a maximum SFDR of 71dB and 70dB at 120MS/s and 150MS/s, respectively. The ADC with an active die area of $2.0mm^2$ consumes 140mW at 150MS/s and 1.2V.
본 논문에서는 고해상도와 높은 신호처리속도, 저전력 및 소면적을 동시에 요구하는 Software Defined Radio (SDR) 시스템 응용을 위한 14비트 150MS/s 0.13um CMOS ADC를 제안한다. 제안하는 ADC는 고해상도를 얻기 위한 특별한 보정 기법을 사용하지 않는 4단 파이프라인 구조로 설계하였고, 각 단의 샘플링 커패시턴스와 증폭기의 입력 트랜스컨덕턴스에 각각 최적화된 스케일링 계수를 적용하여 요구되는 열잡음 성능 및 속도를 만족하는 동시에 소모되는 전력을 최소화하였다. 또한, 소자 부정합에 의한 영향을 줄이면서 14비트 이상의 해상도를 얻기 위해 MDAC의 커패시터 열에는 인접신호에 덜 민감한 3차원 완전 대칭 구조의 레이아웃 기법을 제안하였으며, 온도 및 전원 전압에 독립적인 기준 전류 및 전압 발생기를 온-칩 RC 필터와 함께 칩 내부에 집적하고 칩 외부에 C 필터를 추가로 사용하여 스위칭 잡음에 의한 영향을 최소화하였고, 선택적으로 다른 크기의 기준 전압 값을 외부에서 인가할 수 있도록 하였다. 제안하는 시제품 ADC는 0.13um 1P8M CMOS 공정으로 제작되었으며, 측정된 DNL 및 INL은 14비트 해상도에서 각각 최대 0.81LSB, 2.83LSB의 수준을 보이며, 동적 성능은 120MS/s와 150MS/s의 동작 속도에서 각각 최대 64dB, 61dB의 SNDR과 71dB, 70dB의 SFDR을 보여준다. 시제품 ADC의 칩 면적은 $2.0mm^2$ 이며 전력 소모는 1.2V 전원 전압에서 140mW이다.
